3.3.1 Variazione della concentrazione dei microinquinanti
Il sedimento del fiume Celone è stato utilizzato per eseguire un esperimento di laboratorio, in condizioni controllate, con l’obiettivo di studiare l’effetto degli idrocarburi policiclici aromatici (PAH) sui parametri strutturali e funzionali della comunità microbica autoctona e la biodisponibilità di questi composti. Il sedimento è stato campionato nel mese di maggio 2010 nella stazione 1 (Fig. 2.1), trasportato in laboratorio ed analizzato entro le 24 ore dal prelievo.
Tempo di incubazione (giorni) 1 7 14 21 28 Fen ant re n e ( ng g -1) 1 10 100 1000 Controllo 10X 100X
Il campione è stato caratterizzato per la presenza di 7 diversi composti policiclici aromatici (fenantrene, fluorantene, benzo(b)fluorantene, benzo(k)fluorantene, benzo(a)pirene, benzo(g,h,i)pirene, indeno(1,2,3,c,dpirene) e per i parametri strutturali e funzionali della comunità microbica.
Una miscela costituita dai 7 composti riscontrati nel sedimento naturale (controllo), è stata aggiunta a diverse aliquote di sedimento a concentrazioni 10 (10X) e 100 (100X) volte superiori rispetto al controllo. Le variazioni della concentrazione dei composti organici aggiunti al sedimento è stata monitorata ogni settimana durante i 28 giorni di incubazione. I valori riportati in tabella 3.7 rappresentano le medie delle concentrazioni, misurate al tempo iniziale e dopo 28 giorni, in 3 diversi microcosmi utilizzati per ogni trattamento.
Controllo PAH 10X PAH 100X
Trattamento Tempo (giorni) 1 28 1 28 1 28 Fenantrene 4,8 ± 1,2 6,77 ± 1,1 45,5 ± 1,5 23,19 ± 5,0 523,3 ± 102,3 266,3 ± 6,5 Fluorantene 94,2 ± 5,7 108,9 ± 17,7 1218,5 ± 44,2 1192,4 ± 177,8 10154,0±1218,6 11106,6±897,7 Benzo(b)fluorantene 47,3 ± 14,2 51,4 ± 6,6 502,2 ± 5,3 486,6 ± 76,8 4030,7 ± 413,0 4879,9 ± 216,9 Benzo(k)fluorantene 19,3 ± 2,9 27,0 ± 5,7 153,9 ± 19,7 266,4 ± 37,2 1962,8 ± 180,8 1231,5 ± 180,7 Benzo(a)pyrene 15,9 ± 2,6 15,8 ± 2,5 197,1 ± 13,6 179,8 ± 16,8 1711,4 ± 193,7 1486,1 ± 86,4 Benzo(g,h,i)perylene 12,5 ± 6,3 14,9 ± 8,2 124,2 ± 10,4 147,5 ± 6,8 1453,2 ± 198,2 1393,6 ± 235,1 Indeno(1,2,3,c,d)pyrene 10,8 ± 3,1 11,7 ± 4,4 114,84± 13,2 145,8 ± 10,4 1176,0 ± 108,2 1226,8 ± 123,7
Tabella 3.3 - Concentrazioni medie dei PAH (ng g-1 ± d.s.), espresse per peso secco di sedimento, misurate
dopo 24 ore di incubazione (1giorno) e dopo 28 giorni, nel sedimento naturale (controllo) e nel sedimento trattato con miscele di PAH (10X e 100X) a concentrazioni 10 e 100 volte superiori al controllo.
Dall’osservazione delle concentrazioni dei singoli composti misurate dopo 24 ore e dopo 28 giorni di incubazione non si osservano diminuzioni significative dei componenti della miscela ad eccezione del fenantrene nel trattamento IPA 10X, unico composto a tre anelli benzenici tra le sostanze analizzate (Fig. 3.5).
Figura 3.5 - Andamento delle
concentrazioni medie (± d.s.) del fenantrene nel sedimento naturale (controllo) e in quello trattato con una miscela di PAH a diverse concentrazioni (PAH 10X e 100X) durante l’incubazione
Nel sedimento trattato con la miscela di PAH a concentrazione 10 volte superiore a quella misurata in natura e sottoposto ad un incubazione prolungata di 300 giorni, è stata osservata una completa degradazione del fenantrene ed una riduzione del 74,5 % della concentrazione di un secondo composto, il fluorantene.
3.3.2 Variazione dei parametri strutturali e funzionali della comunità microbica Nel sedimento naturale la comunità batterica mostra un numero di cellule pari a 7,26 ± 0,54 108 cellule g-1. L’andamento delle abbondanze batteriche nel sedimento in seguito ai trattamenti è riportato nella figura 3.6. Ad eccezione di un’elevata variabilità delle abbondanze all’inizio dell’esperimento (1 giorno), la miscela di PAH non ha prodotto, nei tempi successivi, andamenti significativi delle abbondanze cellulari rispetto al controllo.
All’inizio dell’esperimento, la concentrazione di ATP in tutti i trattamenti non differisce dal valore misurato in situ (2,56 ± 0,06 μg g-1) (Fig. 3.6). Dopo una settimana di
contatto con i PAH, in entrambi i trattamenti non si osservano differenze significative della concentrazione di ATP rispetto ai valori iniziali. Nelle settimane successive si osserva invece un andamento negativo della concentrazione di ATP nel tempo in entrambi i trattamenti (10X: r = -0,85, p < 0,01, n = 9; 100X: r = -0,89; p < 0,01; n = 9). Al contrario nel controllo si osserva un incremento lineare della concentrazione di ATP (r = 0,83; p < 0,05; n = 9) i cui valori alla fine dell’esperimento superano significativamente quelli osservati in entrambi i trattamenti (t-test; p < 0,01).
La produzione procariotica di carbonio (PCP) nel campione naturale risulta pari a 0,7±0,2 μmol C h-1g-1, valore confrontabile con quello ottenuto in questo studio nelle indagini di campo (Fig. 3.6).
I trattamenti con la miscela di PAH inducono un incremento dei tassi di produzione rispetto al controllo già dopo 24 ore dal contatto (t-test; p< 0,01). Questa differenza rispetto al controllo si mantiene nei tempi successivi in tutti i trattamenti (test ANOVA; p < 0,05) con un incremento lineare di PCP durante le prime due settimane di contatto (10X: r = 0,79; p < 0,05; n = 42; 100X: r = 0,94; p < 0,01; n = 42). In particolare dopo 2 settimane dal trattamento, nel trattamento 10X si osservano i valori massimi di produzione che superano di circa 2 volte quelli osservati nel controllo. È interessante notare come nel sedimento non trattato (controllo) il picco di attività è più ridotto (1,3 ± 0,3 μmol C h-1 g-1) e si manifesta con una settimana di anticipo rispetto ai sedimenti trattati.
Nel campione naturale di sedimento utilizzato in questo test è stato osservato un tasso di respirazione pari a 0,09 μmol C h-1 g-1 (Fig. 3.6), valore riconducibile a quello misurati in situ. Dopo 24 ore dal contatto con la miscela di PAH, il tasso di respirazione nei sedimenti trattati (0,03 ± 0,01 e 0,02 ± 0,004 μmol C h-1 g-1) risulta essere di circa dieci volte inferiore al controllo (0,10 ± 0,01 μmol C h -1 g-1). Nei tempi successivi di incubazione è stato osservato un incremento lineare del tasso di respirazione nei sedimenti di entrambi i trattamenti (IPA 10X: r=0,93 p<0,0001 n=11; IPA 100X: r=0,97 p<0,00001 n=11) fino al raggiungimento, dopo 21 giorni, dei valore osservato nel controllo (valore medio 0,8 ± 0,01 μmol C h-1 g-1).
I dati relativi alle analisi del campione naturale (in situ, Fig. 3.6) utilizzato per l’esperimento hanno mostrato le attività di aminopeptidasi (AMA = 0,18 ± 0,02 μmol AMC h-1 g-1) e di fosfatasi alcalina (APA = 0,60 ± 0,03 μmol MUF h-1 g-1) simili sia a quelle riscontrate nei campioni naturali delle indagini di campo sia a quelle riportate per i sedimenti di altri fiumi temporanei della Regione Mediterranea (Romanì et al., 1998, Zoppini et al., 2010). In particolare l’AMA risulta più stimolata nei sedimenti trattati che nel controllo (ANOVA, p<0,05), raggiungendo picchi di attività pari a 0,23± 0,01 e 0,24± 0,004 μmol AMC h-1·g-1, nel trattamento 10x e 100x rispettivamente. L’incremento rispetto al controllo rimane invariato fino alla fine dell’esperimento per entrambi i trattamenti, nonostante il tasso di idrolisi tenda a diminuire nel tempo con andamento lineare in tutti i trattamenti (controllo r=-0,79 p<0,05 n=9; 10X r=-0,95 p<0,0001 n=9; 100X r=-0,99 p<0,000001 n=9). Pur non mostrando differenze significative tra loro, i trattamenti con le miscele di PAH mostrano attività di APA superiori a quelle del controllo fino a una settimana dal contatto (test ANOVA; p < 0,05) quando si osserva il picco di attività (0,55± 0,02 μmol MUF h-1 g-1). Nei tempi successivi l’APA diminuisce progressivamente in tutti i trattamenti (r= -0,67 p< 0,05 n= 9; r= -0,76 p< 0,05 n= 9).
Tempo d'incubazione (giorni) In situ 1 7 14 21 28 Ami nop ep ti da si ( µ mo l A M C h -1 g -1) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Ad eno s int ri fo s fa to (µg g -1) 0 1 2 3 4 5 Res p iraz ione (µmo l C h -1 g -1) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Tempo d'incubazione (giorni)
In situ 1 7 14 21 28 F o sfa tasi al ca lin a (µ m o l M U F h -1 g -1) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 PCP µ m o l C h -1 g -1 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Ab bo nd anz a b a tt e ri c a (1 0 8 ce ll g -1) 0 1 2 3 4 5 Controllo 10X 100X In situ
Figura 3.6 - Valori medi (± d.s.) di abbondanza batterica, concentrazione di ATP), produzione procariotica di C , respirazione e attività enzimatica extracellulare (amino peptidasi, fosfatasi alcalina) nel controllo e nei trattamenti (10X e 100X). I valori sono espressi per grammo di sedimento secco.
4. DISCUSSIONE
I cambiamenti climatici influenzano il ciclo idrologico e con questo l’andamento delle piogge (Huntington et al., 2006, Wu et al., 2010; Huntjens et al., 2010). Le aree mediterranee sono state definite come “hot spots” poiché in conseguenza dei cambiamenti climatici sono a rischio siccità (Giorgi et al., 2006; EEA, 2008). I fiumi temporanei, dominanti nelle aree semi-aride del pianeta, sono sistemi molto fragili a causa dell’elevata variabilità idrologica. L’incremento dell’aridità può modificare ulteriormente l’equilibrio altamente instabile di questi ecosistemi e ridurre la disponibilità, e la qualità, dell’acqua per le popolazioni residenti. In questa tesi si riportano i dati relativi ad indagini condotte sia in situ che in laboratorio sul fiume temporaneo Candelaro (Puglia), che rappresenta uno dei sistemi fluviali compresi nell’area mediterranea oggetto di studio del Progetto Europeo MIRAGE. Lo scopo è stato quello di misurare in condizioni idrologiche estreme (piena / siccità) la variazione dello stato di qualità dei sedimenti relativamente alle sostanze definite pericolose per l’ambiente e la salute umana e alle comunità microbiche, attraverso la descrizione delle variazioni dei parametri strutturali e funzionali che possono influenzare il flusso di nutrienti. Le indagini di campo hanno permesso di descrivere lo stato di qualità del sistema nelle diverse fasi idrologiche, dove periodi di siccità influenzano la composizione chimica del sedimento ed i processi metabolici delle comunità microbiche residenti nel sedimento. Test di laboratorio hanno permesso inoltre di misurare in condizioni controllate le risposte delle comunità microbiche alla siccità ed il destino di microinquinanti (PAH) presenti nell’ambiente naturale.